燃油箱油液晃動(dòng)聲的測(cè)量技術(shù)研究

費(fèi) 翔，蔣偉康，朱志勇，楊文華

（1.上海交通大學(xué)振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，揚(yáng)州 225000）

燃油箱油液晃動(dòng)聲的測(cè)量技術(shù)研究

費(fèi) 翔1，蔣偉康1，朱志勇2，楊文華2

（1.上海交通大學(xué)振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；2.亞普汽車部件股份有限公司，揚(yáng)州 225000）

為了排除汽車燃油箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中臺(tái)架本身振動(dòng)信號(hào)對(duì)油箱晃動(dòng)噪聲的影響，設(shè)計(jì)了臺(tái)架測(cè)試實(shí)驗(yàn)并提出一種信號(hào)處理的方法，通過(guò)建立多輸入、單輸出系統(tǒng)模型，進(jìn)行偏奇異值分析辨識(shí)獨(dú)立聲源和典型振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行相干分析計(jì)算，從噪聲信號(hào)中分離出油箱燃油晃動(dòng)噪聲時(shí)域信號(hào)。提出了得到聲壓級(jí)修正曲線的方法，能快速實(shí)現(xiàn)燃油箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果的修正。該信號(hào)處理方法能夠有效剔除臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中其他環(huán)境噪聲的干擾，得到僅由燃油晃動(dòng)引起的噪聲信號(hào)。

燃油晃動(dòng)噪聲；偏奇異值分解；相干分析

隨著轎車整體噪聲水平的降低和旅客對(duì)乘坐舒適性要求的提高，對(duì)降低轎車車內(nèi)噪聲的要求也更為迫切。車輛在急剎工況下，燃油在油箱中晃動(dòng)引起箱壁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲傳遞至乘客艙內(nèi)，嚴(yán)重影響乘坐舒適性。而汽車油箱燃油晃動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)對(duì)于產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)開發(fā)和提高競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)于燃油晃動(dòng)噪聲研究主要集中于CAE分析，一般通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行間接判斷［1－2］，而臺(tái)架實(shí)驗(yàn)則能夠在研發(fā)初期對(duì)燃油箱噪聲性能做出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，作為零部件級(jí)別的測(cè)試，其具有重復(fù)性高、試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)化整車燃油晃動(dòng)噪聲性能的開發(fā)難度［3－4］。

測(cè)試時(shí)臺(tái)架本身的振動(dòng)對(duì)燃油箱噪聲評(píng)測(cè)有較大的影響，影響噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究很少，本文利用偏奇異值分解辨識(shí)獨(dú)立聲源和典型振動(dòng)信號(hào)［5］，在噪聲源識(shí)別研究中具有廣泛運(yùn)用的偏相干分析修正噪聲頻譜［6－7］，通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算得到排除臺(tái)架振動(dòng)干擾的燃油晃動(dòng)噪聲A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)，成功分離出油箱燃油晃動(dòng)噪聲。

1 工程問(wèn)題的提出

1.1 臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)

在進(jìn)行油箱臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，需要模擬車輛急剎產(chǎn)生燃油晃動(dòng)噪聲的工況，需找到一種給油箱加速和減速的方法，理想狀況下，臺(tái)架本身在測(cè)試過(guò)程中不產(chǎn)生噪聲。圖1表述了一種油箱噪聲測(cè)試臺(tái)架，臺(tái)架由滑軌、滑臺(tái)和基座組成。油箱由尼龍綁帶固定在滑臺(tái)上與之一起運(yùn)動(dòng)，用滑軌傾斜角度控制油箱運(yùn)動(dòng)最大速度，兩根金屬剎桿和滑臺(tái)底部剎車皮控制剎車，實(shí)驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行。

圖1 燃油箱噪聲測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of fuel tank noise test stand

1.2 工程難點(diǎn)

臺(tái)架本身是鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，滑臺(tái)與臺(tái)架基座由金屬滾輪、導(dǎo)軌相連，測(cè)試過(guò)程中臺(tái)架本身會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，發(fā)出噪聲，導(dǎo)致測(cè)得的噪聲信號(hào)中既有燃油晃動(dòng)噪聲也有臺(tái)架本身的振動(dòng)噪聲信號(hào)，影響燃油晃動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。臺(tái)架振動(dòng)有兩個(gè)來(lái)源：一方面油箱隨滑臺(tái)加速下滑到達(dá)制動(dòng)點(diǎn)繼而減速為零的過(guò)程中，導(dǎo)軌滑輪滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生振動(dòng)傳遞至臺(tái)架本身，油箱減速為零，該振動(dòng)在采集系統(tǒng)開始采集晃動(dòng)噪聲信號(hào)時(shí)仍未足夠衰減；另一方面，油箱減速為零后油液晃動(dòng)拍打油箱導(dǎo)致壁面振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)滑臺(tái)與臺(tái)架基座間的剛性接觸傳遞至臺(tái)架本身，產(chǎn)生振動(dòng)。所以需要一種方法，能夠排除臺(tái)架本身振動(dòng)對(duì)噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，獨(dú)立出燃油晃動(dòng)噪聲，使得臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2 分析方法

針對(duì)該工程問(wèn)題，本文提出基于信號(hào)處理的降噪技術(shù)方法，降低臺(tái)架試驗(yàn)中除油箱燃油晃動(dòng)聲以外其他聲源發(fā)出的噪聲，單獨(dú)分離出油液晃動(dòng)噪聲。先將測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)化為多輸入單輸出系統(tǒng)，如圖2所示，圖中｛Xi｝（i＝1，2，…，n）為油箱和臺(tái)架振動(dòng)輸入信號(hào)xi（t）的傅氏變換，Y是輸出噪聲信號(hào)，輸入信號(hào)之間可相干也可不相干。

在該模型的基礎(chǔ)上利用奇異值分析辨識(shí)獨(dú)立聲源，對(duì)多個(gè)噪聲源輸出通道進(jìn)行奇異值分解，奇異值的大小作為信號(hào)能量的量度，信號(hào)能量高則認(rèn)為其具有較大的獨(dú)立成分。利用相同的方法確定油箱上和臺(tái)架上的典型振動(dòng)輸入信號(hào)。

對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行相干性分析［8］。相干分析是在總噪聲的頻譜下分析出峰值的頻率與各振動(dòng)源特征頻率之間的關(guān)系，確定振動(dòng)源對(duì)總噪聲級(jí)的影響。相干分析所用的主要依據(jù)是相干函數(shù)，用以判別輸入輸出信號(hào)的內(nèi)在關(guān)系，辨識(shí)信號(hào)之間的相關(guān)程度。在本文的分析中涉及重相干分析和偏相干分析。

重相干函數(shù)定義為：

圖2 多輸入/單輸出模型Fig.2 Multi-input/single-outputmodel

其中：Hi（f）為頻響函數(shù)，Syi（f）是輸入輸出信號(hào)的互功率譜，Syy（f）為輸出信號(hào)的自功率譜。根據(jù)重相干系數(shù)是否大于0.8判斷輸入信號(hào)是否已經(jīng)足夠表征系統(tǒng)的輸入狀況［8］，認(rèn)為臺(tái)架和油箱上分別具有一個(gè)典型振動(dòng)信號(hào)，所以振動(dòng)信號(hào)的數(shù)量必須大于兩個(gè)。

偏相干函數(shù)定義為：

其中：S2Y·1（f）是排除了x1（t）影響的x2（t）與輸出y（t）的互功率譜，S22·1（f）和SYY·1（f）是排除了x1（t）影響的信號(hào)自功率譜。偏相干系數(shù)表征各個(gè)振動(dòng)源對(duì)總噪聲級(jí)輸出的貢獻(xiàn)量大小，通過(guò)計(jì)算臺(tái)架振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的偏相干系數(shù)并利用式（3）對(duì)測(cè)量得到的噪聲信號(hào)頻譜SYY（f）進(jìn)行修正，得到排除臺(tái)架噪聲干擾的燃油晃動(dòng)噪聲頻譜S′YY（f）。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)，在臺(tái)架上距離油箱表面50 cm處的位置布置4個(gè)傳聲器，如圖3所示。在主要振動(dòng)方向布置振動(dòng)傳感器，油箱表面法向?yàn)橹饕駝?dòng)方向，臺(tái)架主要振動(dòng)方向?yàn)榛_(tái)行進(jìn)方向，傳感器位置如圖4和圖5所示，共計(jì)10個(gè)加速度傳感器，滿足振動(dòng)信號(hào)輸入遠(yuǎn)大于兩個(gè)的要求。試驗(yàn)時(shí)測(cè)量燃油量為油箱額定容積（54 L）的25%，50%，80%，100%，加速度－1.4 m/s2，－2.7 m/s2共計(jì)八種工況。為簡(jiǎn)化分析，本文以燃油充滿度25%，加速度－2.7 m/s2工況為例進(jìn)行分析。

噪聲信號(hào)奇異值分解的結(jié)果如圖6所示。奇異值分解結(jié)果只關(guān)注最上方曲線代表的信號(hào)。臺(tái)架噪聲主要集中在低頻500 Hz以下，兩個(gè)信號(hào)能量差別達(dá)10倍以上則可認(rèn)為能量較高的信號(hào)獨(dú)立性高，Mic1傳聲器采集的噪聲信號(hào)能量較高，并在低頻段獨(dú)立性好，以該噪聲信號(hào)為輸出信號(hào)，與所有振動(dòng)信號(hào)作重相干分析，如圖7所示，觀察重相干系數(shù)基本都大于0.8，則可以判斷所有振動(dòng)信號(hào)的輸入已經(jīng)能夠代表系統(tǒng)的輸入特性。對(duì)臺(tái)架振動(dòng)信號(hào)和油箱振動(dòng)信號(hào)分別做奇異值分解，如圖8和圖9，其中Acc2和Acc9傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)能量最高，在低頻段獨(dú)立性高，作為偏相干分析的典型振動(dòng)信號(hào)。

圖3 傳聲器布置示意圖Fig.3 Diagram of arranged microphones

圖4 臺(tái)架振動(dòng)傳感器布置示意圖Fig.4 Diagram of arranged accelerometers on stand

圖5 油箱振動(dòng)傳感器布置示意圖Fig.5 Diagram of arranged accelerometers on tank

圖6 噪聲信號(hào)偏奇異值分解Fig.6 Singularvalue of noise signals

圖7 重相干分析Fig.7Multi-coherence analysis

圖8 臺(tái)架振動(dòng)信號(hào)偏奇異值分解Fig.8 Singularvalue of standvibration signals

圖9 油箱振動(dòng)信號(hào)偏奇異值分解Fig.9 Singularvalueof tank vibration signals

圖10 Mic1修正前后A聲級(jí)頻譜Fig.10 Original and revised spectrum ofMic1

圖11 Mic2修正前后A聲級(jí)頻譜Fig.11 Original and revised spectrum of Mic2

圖12 Mic3修正前后A聲級(jí)頻譜Fig.12 Original and revised spectrum of Mic3

對(duì)臺(tái)架典型振動(dòng)信號(hào)與所有噪聲信號(hào)作偏相干分析得到偏相干系數(shù)，利用式（3）對(duì)所有噪聲信號(hào)頻譜修正并計(jì)算修正前后的總A聲級(jí)，如圖10～圖13所示。觀察修正前后的A聲級(jí)頻譜可以發(fā)現(xiàn)，臺(tái)架振動(dòng)對(duì)噪聲的影響主要集中在低頻500 Hz以下，也驗(yàn)證了奇異值分結(jié)果的準(zhǔn)確性。

偏相干分析是基于頻域的方法，而工程上需要得到噪聲的A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)。根據(jù)聲級(jí)計(jì)快檔0.125 s為單位樣本，由于0.125 s的樣本長(zhǎng)度頻率分辨率太低，以某時(shí)段為中心，前后各延拓0.125 s，以0.375 s樣本長(zhǎng)度，樣本重疊率66.7%，然后按同樣方法計(jì)算下個(gè)0.125 s的聲級(jí)。將樣本長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)計(jì)算返回修正后的總A聲級(jí)，以此類推得到修正后的總A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)，對(duì)四個(gè)噪聲信號(hào)取包絡(luò)線，得到A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)如圖14，排除了臺(tái)架振動(dòng)噪聲干擾，成功分離出燃油晃動(dòng)噪聲信號(hào)。曲線趨勢(shì)上并沒(méi)有改變，在原曲線的基礎(chǔ)上，下移一定的dB數(shù)，利用式（4）計(jì)算臺(tái)架本身的振動(dòng)噪聲信號(hào)，如圖15所示，臺(tái)架振動(dòng)噪聲在油箱減速為零后1 s內(nèi)能量較高，隨后很快衰減，在后2 s內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)主要是由燃油晃動(dòng)引起。其中：SPL1為修正前的噪聲信號(hào)，包括臺(tái)架振動(dòng)噪聲信號(hào)和燃油晃動(dòng)噪聲，SPL2為修正后的噪聲信號(hào)僅為燃油晃動(dòng)噪聲信號(hào)，SPL3為臺(tái)架噪聲信號(hào)。

由于油箱臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)是較復(fù)雜的工程對(duì)象，缺乏直接驗(yàn)證臺(tái)架振動(dòng)噪聲源信號(hào)分離誤差的手段，但是本文采用的偏相干分析方法分離復(fù)雜聲源的方法和精度已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證［9－10］，因此直接采用該方法分離得到的臺(tái)架振動(dòng)噪聲信號(hào)的結(jié)果是可信且能夠滿足工程要求的。

圖13 Mic4修正前后A聲級(jí)頻譜Fig.13 Original and revised spectrum ofMic4

圖14 修正前后A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)Fig.14 Original and revised time-domain SPL（A）

圖15 臺(tái)架噪聲A聲級(jí)時(shí)域信號(hào)Fig.15 Time-domain SPL（A）of stand

圖16 聲壓級(jí)修正曲線Fig.16 Correction curve of SPL（A）

4 聲壓級(jí)修正量曲線

針對(duì)不同油箱不同工況臺(tái)架測(cè)試的復(fù)雜性，提出聲壓級(jí)修正量對(duì)噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速修正。

油箱和滑臺(tái)下滑至最大速度時(shí)具有一個(gè)最大動(dòng)量值（mv，單位為kg·m/s），而油箱和滑臺(tái)減速為0時(shí)的動(dòng)量為0，這個(gè)階段油箱和滑臺(tái)的動(dòng)量變化量是由臺(tái)架對(duì)油箱滑臺(tái)的沖量造成的，而臺(tái)架對(duì)油箱的激勵(lì)與油箱對(duì)臺(tái)架的激勵(lì)，沖量的大小相等，方向相反。最大動(dòng)量在數(shù)值上等于滑臺(tái)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)整體產(chǎn)生的沖量。

該物理量既能反應(yīng)油箱內(nèi)部燃油容積，也通過(guò)反應(yīng)最大速度間接表征了滑軌傾斜角度，其中滑軌傾斜角度大導(dǎo)致油箱速度和加速度都大，反之則小。計(jì)算不同工況下油箱滑臺(tái)具有的最大動(dòng)量和聲壓級(jí)修正量的平均值，獲得散點(diǎn)圖，如圖16所示，通過(guò)最小二乘法在對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)得到的曲線近似于一次曲線，故采用線性回歸算法擬合直線y＝ax＋b，式中x為滑臺(tái)和油箱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大動(dòng)量，y為聲壓修正量，并利用復(fù)相關(guān)系數(shù)R來(lái)判定擬合結(jié)果是否滿足一次曲線的假設(shè)。

線性回歸計(jì)算得到式（5），復(fù)相關(guān)指數(shù)R＝0.82，復(fù)相關(guān)指數(shù)大于0.8則認(rèn)為線性回歸模型中的自變量（最大動(dòng)量）和因變量（聲壓級(jí)修正值）可用線性關(guān)系式來(lái)近似表達(dá)兩者之間的關(guān)系。通過(guò)式（5）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果快速修正，最大誤差為±0.4 dB。

5 結(jié) 論

通過(guò)油箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)噪聲和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行偏奇異值分解和相干性分析，本文提出了一種信號(hào)處理的方法并成功分離出油箱燃油晃動(dòng)噪聲和臺(tái)架振動(dòng)噪聲信號(hào)，排除了臺(tái)架振動(dòng)噪聲對(duì)噪聲評(píng)測(cè)結(jié)果的影響。

本文以各工況下滑臺(tái)和油箱具有的最大動(dòng)量作為表征該工況下系統(tǒng)所受激勵(lì)的物理量，提出了得到聲壓級(jí)修正曲線的方法，對(duì)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)噪聲評(píng)價(jià)結(jié)果的修正提供參考。研究表明，隨著滑臺(tái)和油箱最大動(dòng)量的增加，聲壓級(jí)修正量也增加，可以使用線性關(guān)系來(lái)近似表達(dá)兩者之間的關(guān)系。

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A signal processingmethod for car fuel tank sloshing noise

FEIXiang1，JIANGWei-kang1，ZHU Zhi-yong2，YANGWen-hua2
（1.State Key Laboratory of Vibration，Shock and Noise，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China；
2.YAPPAutomotive Parts Co.，Ltd.，Yangzhou 225000，China）

To exclude the effect of bench vibration signals on a car fuel tank sloshing noise in its benth vibration test，a signal processingmethod was proposed.By using a multi-input/single-output system method，independent sound sources and typical vibration measuring points were identified with the singular value decomposition（SVD）.The coherences of typical vibration and noise signalswere calculated by using the coherence analysismethod.The car fuel tank sloshing noise was separated from combined signals of environment noises.To quickly correct the results of the fuel tank sloshing noise bench test evaluation，a method was proposed to get the sound pressure level correction curve.This signal processingmethod could be used to effectively eliminate the interference from other environment noises in the bench vibration test.

fuel tank sloshing noise；singular value decomposition（SVD）；coherence analysis

TB53

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.031

2013－08－29 修改稿收到日期：2013－12－12

費(fèi)翔男，碩士，1988年8月生

蔣偉康男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1961年8月生